National Grid modella i percorsi sotterranei dei cavi

L’utilizzo della simulazione per prevedere accuratamente il rating dei cavi elettrici sotterranei entro chiari margini di sicurezza permette a National Grid di massimizzare le performance, garantire l’affidabilità e limitare il più possibile i costi.

di Jennifer Hand

Se si chiedesse al proprietario di una casa, che sta installando nuovi dispositivi da cucina o per l’intrattenimento, di descrivere le proprie aspettative rispetto all’impianto elettrico domestico, la risposta includerebbe probabilmente i termini “sicuro”, “affidabile” ed “economicamente sostenibile”.

Gestire la rete elettrica, assicurarsi che soddisfi costantemente la domanda di energia e mantenere voltaggio e frequenza entro limiti accettabili sono aspetti fondamentali per la sicurezza, l’affidabilità e la sostenibilità economica. In Inghilterra e nel Galles, questa responsabilità ricade su National Grid, che possiede, realizza, cura e gestisce la rete di trasmissione ad alta tensione che porta l’elettricità ad abitazioni e attività commerciali. La Figura 1 mostra un sistema di cavi sotterranei ad alta tensione.

National Grid: Sezione di un sistema di cavi ad alta tensione in un tunnel
Figura 1. Sezione di un sistema di cavi ad alta tensione in un tunnel (a sinistra) e sotto terra (a destra).

Tra le sfide affrontate da National Grid ci sono il miglioramento della gestione termica di queste enormi reti, l’ottimizzazione dei percorsi per posare nuovi cavi e la garanzia di accuratezza del rating dei cavi, soprattutto nei casi in cui riparazioni di vecchie sezioni hanno portato a combinare diversi materiali nella medesima linea di cavi. Per rispondere a tutte queste esigenze è necessaria una profonda comprensione dell’impatto di fattori come il terreno circostante, l’età del cavo, le riparazioni e il modo in cui la vicinanza di altri cavi può influenzare la performance di una determinata sezione.

Le sfide del rating

La maggior parte delle reti di trasmissione e distribuzione applica gli standard emessi dall’International Electrotechnical Commission (IEC) e accolti dall’International Council on Large Electric Systems (CIGRE) per calcolare il rating di un cavo, ovvero il carico massimo che questo può supportare restando nei limiti di temperatura ed evitando un potenziale danno.

David Scott, esperto di mappatura della rete, si occupa delle capacità dei cavi sospesi e sotterranei presso l’Asset Integrity Department di National Grid. “Il testing dei sistemi ad alta tensione non è un’attività semplice”, racconta. “Questi cavi si trovano a 50 metri di profondità, all’interno di un sistema più ampio, non in isolamento. La temperatura del terreno intorno a un cavo può variare nei diversi punti della sua lunghezza e il carico termico cambia quando il cavo incrocia o passa accanto ad altri cavi, come quelli di distribuzione o le reti di alimentazione ferroviaria. È difficile validare i risultati dei test. Siamo sempre alla ricerca di rating più accurati”.

Il Tony Davies High Voltage Laboratory (TDHVL) dell’Università di Southampton, che collabora con National Grid per i progetti di innovazione, ha aperto la strada alla modellazione dei componenti di diversi cavi e all’utilizzo della simulazione, per comprendere meglio le variazioni di performance che si verificano quando subentrano cambiamenti ambientali o quando i cavi cominciano a invecchiare.

La collaborazione di ricerca tra TDHVL e National Grid ha avuto inizio con la creazione di modelli empirici. I tecnici di TDHVL lavorano fianco a fianco con National Grid e si occupano di analisi agli elementi finiti con il software COMSOL Multiphysics®. Si sono concentrati soprattutto sullo scambio di calore: hanno dapprima validato i rating di un particolare tipo di cavi e poi hanno cominciato ad analizzare il rating dei cavi in uno specifico “pinch point” in isolamento e in diverse condizioni ambientali.

profilo termico di un cavo a contatto diretto con il terreno
Figura 2. Risultati della simulazione del profilo termico di un cavo a contatto diretto con il terreno, eseguita con il software COMSOL®.

Per esempio, quando il suolo è bagnato il calore si dissipa in tempi relativamente rapidi. Il terreno secco è più resistente a causa della presenza di piccole sacche d’aria, che limitano la dissipazione del calore e influenzano la prestazione termica del cavo (ved. Figura 3). Il team tiene conto della secchezza e della fessurazione del terreno per modellare il canale in cui corre il cavo. “Ci sono degli standard per il terreno e per i particolari materiali di riempimento che specifichiamo nel modello. Il terreno cambia, quindi tendiamo ad adottare una prospettiva pessimistica nel valutare la sua influenza sul cavo”, spiega Scott.

profilo di flusso d’aria normalizzato sulla sezione di un lungo tunnel orizzontale
Figura 3. I risultati della simulazione: profilo di flusso d’aria normalizzato sulla sezione di un lungo tunnel orizzontale.

Profili termici ed elettrici

Per National Grid questo lavoro di modellazione offre come risultato una nuova prospettiva, soprattutto per il rating dei cavi che corrono vicini e per l’ottimizzazione della configurazione dei percorsi per i nuovi cavi. La prossimità tra cavi può ostacolare la dispersione termica, portare a un aumento di temperatura in entrambi i cavi e ridurre la loro capacità di condurre corrente. In ogni caso, talvolta le valutazioni sono eccessivamente caute e possono portare a costi inutili, dovuti alla posa di tratti ulteriori di cavo. “Abbiamo scoperto che i metodi standard per la valutazione del rating dei cavi di solito sono prudenti”, afferma Scott. “Possono potenzialmente indicare problemi di surriscaldamento quando i due cavi si trovano in realtà a una distanza superiore ai 100 metri e hanno pochissima influenza reciproca”.

modello COMSOL
Figura 4: Un modello COMSOL mostra la capacità di conduzione di corrente di quattro circuiti identici variando la distanza tra loro.

Il team usa il modello COMSOL appropriato per verificare se un nuovo cavo possa essere posato su un percorso già esistente, rispondendo comunque agli standard di sicurezza e prestazioni, oltre a una posizione ottimale (ved. Figura 4). “Grazie alla modellazione, per esempio, ora possiamo dare riscontri precisi riguardo alla progettazione di un nuovo sistema e al suo impatto sulla rete già esistente”, commenta Scott.

“In precedenza avremmo dovuto chiedere un intervento specifico, il più delle volte domandando alla terza parte coinvolta di allontanare i propri cavi o porli a una profondità superiore. Ma i cavi che si trovano a grandi profondità non offrono performance particolarmente buone e una rete di cavi distribuita su un’ampia superficie è costosa in termini di area richiesta, oltre a poter risultare impossibile da realizzare in una ristretta zona urbana. Con l’analisi agli elementi finiti otteniamo una comprensione più chiara della situazione reale, dell’effettivo rating dei cavi e di cosa si può davvero fare”.

Un’altra sfida consiste nella disponibilità di ricambi per la manutenzione e le riparazioni dei vecchi sistemi, che spesso portano ad associare materiali diversi (ved. Figura 5). “Molti dei cavi più vecchi presentano una guaina esterna in piombo, mentre i cavi nuovi spesso sono realizzati in alluminio. Se dobbiamo effettuare riparazioni, preferiamo rimpiazzare soltanto la parte danneggiata, per ovvie motivazioni economiche. Molti cavi però sono progettati per ridurre le correnti indotte e potenziare la capacità. Associando materiali diversi durante la riparazione, questo aspetto del progetto del cavo può risultare compromesso. Gli attuali standard industriali non considerano il caso di diversi conduttori in parallelo. COMSOL ci permette di calcolare le perdite nel circuito del cavo e comprendere quali contromisure bisogna adottare quando si combinano determinati materiali”.

National Grid: Giunzioni utilizzate per collegare diverse sezioni di cavi
Figura 5. Giunzioni utilizzate per collegare diverse sezioni di cavi.

Risultati affidabili per guidare i processi decisionali

Il reale valore della simulazione si chiarisce quando Scott rivela il costo di un nuovo cavo di trasmissione. “Per un chilometro di cavo sotterraneo 400-kV, una cifra approssimativa è 20 milioni di sterline. Quando si avvia un lavoro che richiede l’installazione di un cavo, le priorità principali per ridurre i costi sono una progettazione snella delle risorse e la massima capacità possibile per il cavo. La conoscenza che deriva dalla simulazione ci consente di scegliere in piena sicurezza opzioni meno profonde e meno intricate”. Questa conoscenza porta un vantaggio particolare quando si lavora in zone molto anguste di un sistema di trasmissione di potenza, come nel caso del centro di Londra, dove spesso l’area disponibile per estendere la presenza di una substazione in senso orizzontale è molto limitata.

Non mancano idee su come usare in futuro la modellazione per guidare i processi decisionali riguardo al ciclo di vita, alla compatibilità e al collegamento di dispositivi ad alto voltaggio, compresi i cavi in superficie. “Se simuliamo il vento e la temperatura dell’aria intorno alle linee sopraelevate e aggiungiamo il carico nel sistema per un dato tempo, disporremo di un metodo potente per identificare tempestivamente potenziali problemi, come per esempio individuare le zone in cui l’inquinamento potrebbe essersi addensato sulla superficie della linea”, spiega Scott. Sarà possibile anche indagare i problemi dei raccordi a compressione, dovuti magari a cicli di fatica o danni meccanici, e prevedere il possibile cedimento di questi raccordi.

Aggiunge Scott: “Possiamo concentrarci facilmente sul problema fisico senza essere ostacolati da complessità matematiche. Possiamo usare il lavoro di TDHVL e modificare i parametri chiave per esplorare diverse opzioni di progettazione, con la piena fiducia che i risultati saranno corretti. Se i dati inseriti sono accurati, la simulazione ha dato prova di estrema affidabilità e può aiutarci a prendere le decisioni giuste per la posa e la manutenzione dei cavi”.

Redazione Fare Elettronica